Ứng dụng iot trong nhà thông minh

Đề tài này tập trung nghiên cứu về hệ thống IoT để ứng dụng vào nhà thông minh, từ đó thiết kế mô hình ngôi nhà thông minh. Công việc của đề tài bao gồm: Tìm hiểu và chọn Server để ngôi nhà giao tiếp với người qua Smartphone, sử dụng các cảm biến để đo các thông số cần thiết để đưa ra cảnh báo hoặc hiển thị cho người dùng xem và thiết lập các chế độ hoạt động cho ngôi nhà. Đồ án chia làm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về ứng dụng IoT trong nhà thông minh. Tìm hiểu khái niệm cấu trúc của hệ thống IoT và ứng dụng của nó nói chung, trong nhà thông minh nói riêng. Chương 2: Tổng quan về Internet và giao thức sử dụng trong hệ thống IoT. Các khái niệm mạng Internet và giao thức được sử dụng trong IoT, lựa chọn giao thức và Server để truyền dữ liệu. Chương 3: Lựa chọn thiết bị phần cứng và phần mềm. Tìm hiều và đưa ra sơ đồ tổng quát của hệ thống từ đó lựa chọn chip điều khiển, chip WiFi và các phần cứng liên quan khác, tìm ngôn ngữ và phần mềm lập trình cho phù hợp. Chương 4: Lắp đặt và lập trình cho hệ thống: trong chương này tập trung đưa ra nguyên lý điều khiển, sơ đồ nối dây để viết chương trình và chạy hệ thống; thiết kế giao diện người dùng trên Smartphone.

Ứng dụng IoT nhà thông minh SV thực hiện: Huỳnh Văn Tiên GV hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy TÓM TẮT Tên đề tài: ứng dụng IoT nhà thông minh Sinh viên thực hiện: Huỳnh Văn Tiên Số thẻ SV: 105130293 Lớp: 13TDH1 Đề tài em tập trung nghiên cứu IoT để ứng dụng vào nhà thơng minh, từ thiết kế mơ hình nhà thơng minh Cơng việc đề tài bao gồm: tìm hiểu chọn Server để nhà giao tiếp với người qua smartphone, thiết lập chế độ hoạt động cho nhà Đồ án chia làm chương: Chương 1: Tổng quan ứng dụng IoT nhà thông minh Tìm hiểu khái niệm cấu trúc hệ thống IoT ứng dụng nói chung nhà thơng minh nói riêng Chương 2: Tổng quan Internet giao thức sử dụng hệ thống IoT Các khái niệm mạng Internet giao thức sử dụng IoT, lựa chọn giao thức Server để truyền liệu Chương 3: Lựa chọn thiết bị phần cứng phần mềm Tìm hiều chíp điều khiển, chíp WiFi phần cứng liên quan khác, từ lựa chọn ngơn ngữ phần mêm lập trình Chương 4: Lắp đặt lập trình cho hệ thống: chương tập trung đưa nguyên lý điều khiển, sơ đồ nối dây để viết chương trình chạy hệ thống; thiết kế giao diện người dùng Smartphone Chương 5: Mơ hình đánh giá kết làm kk LỜI NĨI ĐẦU Hiện cơng nghiệp 4.0 phát triển mạnh mẽ giới, Việt Nam xa vời IoT phần cách mạng cơng nghiệp 4.0, phát triển nhanh chóng phổ biến nước ta Nhiều công ty chọn dự án IoT làm hướng phát triển; smarthome ứng dụng phổ biến Cùng với phát triển em chọn đề tài “Ứng dụng IoT nhà thông minh” làm đề tài tốt nghiệp kk CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án ỨNG DỤNG IOT TRONG NHÀ THƠNG MINH thân tơi thực hỗ trợ hướng dẫn Thầy Giáp Quang Huy Mọi tham khảo sử dụng đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian địa điểm cơng bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Sinh viên thực Huỳnh Văn Tiên kk MỤC LỤC TÓM TẮT LỜI NÓI ĐẦU CAM ĐOAN Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG IOT TRONG NHÀ THÔNG MINH 1.1 Internet of Things (IoT) 1.1.1 Khái niệm IoT 1.1.2 Cấu trúc hệ thống IoT 1.1.3 Ứng dụng IoT giới 10 1.2 Ứng dụng IoT vào nhà thông minh 11 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET VÀ GIAO THỨC MẠNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG IOT 13 2.1 Tổng quan mạng internet 13 2.1.1 Khái niệm 13 2.1.2 Hoạt động mạng internet 13 2.1.3 Kết Nối Internet .15 2.1.4 Giao Thức TCP/IP 15 2.2 Các giao thức sử dụng IoT 17 2.2.1 MQTT 17 2.2.2 CoAP (Constrained Application Protocol) 17 2.2.2 AMQP(Advanced Message Queue Protocol) .18 2.2.3 HTTP (Hypertext Transfer Protocol) 18 2.3 Giao thức MQTT 18 2.3.1 Mơ hình MQTT 18 2.3.2 Cấu trúc gói tin MQTT .19 2.2.3 Quy trình truyền nhận liệu MQTT .20 2.2.4 Sử dụng MQTT 24 Chương 3: LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM 26 3.1 Phần cứng điều khiển 26 3.1.1 Arduino Uno R3 26 3.1.2 Node MCU ESP8266 27 3.1.3 Cảm biến phát chuyển động PIR 30 Cảm biến phát chuyển động PIR(Passive InfraRed sensor ) 30 3.1.4 Cảm biến nhiệt độ LM35 30 3.1.5 Động bước modul điều khiển 31 3.1.6 Modul relay 32 3.2 Phần mền Arduino IDE 33 Chương 4: LẮP ĐẶT VÀ LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG .35 4.1 Thiết kế lắp đặt thiết bị điện nhà 35 4.2 Phương pháp điều khiển 36 4.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 36 4.2.2 Thuật tốn chương trình 37 4.3 4.3.1 Chương trình điều khiển cho Nodemcu ESP8266 .40 4.3.2 Chương trình điều khiển cho arduino .45 4.3.3 Giao tiếp Arduino nodemcu ESP8266 48 4.4 kk Chương trình điều khiển 40 Giao diện giao tiếp người dùng qua Smartphone 49 Ứng dụng IoT nhà thông minh Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG IOT TRONG NHÀ THÔNG MINH 1.1 Internet of Things (IoT) 1.1.1 Khái niệm IoT Internet of Things (IoT) - Mạng lưới vạn vật kết nối Internet mà đồ vật cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thông tin, liệu qua mạng mà không cần đến tương tác trực tiếp người với người, hay người với máy tính IoT phát triển từ hội tụ công nghệ không dây, công nghệ vi điện tử Internet Nói đơn giản tập hợp thiết bị có khả kết nối với nhau, với Internet với giới bên ngồi để thực cơng việc 1.1.2 Cấu trúc hệ thống IoT Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống IoT - Sensor (cảm biến ): Có nhiệm vụ thu thập thơng số ta cần đo, tín hiệu lấy tương tự số - Local processing : Xử lý tín hiệu đầu vào trước đưa lên internet - Local storage : Lưu trữ liệu cần xử lý - Network : Phần cứng kết nối mạng - Internet: Kết nối internet SV thực hiện: Huỳnh Văn Tiên GV hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy - Cloud processing: Xử lý tính tốn đám mây - Cloud storage: lưu trữ đám mây 1.1.3 Ứng dụng IoT giới Thị trường IoT giới dự đoán rộng lớn tương lai, có nhiều cơng ty lớn giới đầu tư vào dự án Cisco, Intel, google Qualcomm Dưới số ứng dụng IoT sử dụng rộng rải giới: Nhà thông minh (smart home): ứng dụng phổ biến IoT giới, theo thống kê số cơng ty nghiên cứu nhà thông minh 256 công ty công ty khởi nghiệp Những lợi ích mà nhà thơng minh mang lại cho người sử dụng lớn Thiết bị mang theo (wearables) : Wearables chủ đề nóng Đã có nhiều sáng kiến Wearables đồng hồ thông minh Apple, máy huấn luyện thông minh Sony (smart BTrainer), điều khiển cử Myo, vòng đeo tay LookSee Thành phố thơng minh (smart city) : Thành phố thông minh ứng dụng để quản lý lưu lượng nước phân phối nước, quản lý chất thải, an ninh đô thị giám sát môi trường Nhiều giải pháp thành phố thông minh đưa hứa hẹn mang lại chất lượng sống người tốt Giải pháp IoT khu vực thành phố thông minh giải vấn đề ùn tắc giao thông, giảm thải tiếng ồn ô nhiễm, giúp làm cho thành phố an toàn Lưới điện thông minh (smart grid): lưới điện thông minh trường hợp đặc biệt IoT Một lưới điện thông minh tương lai hứa hẹn nâng cao hiệu quả, độ tin cậy kinh tế việc sử dụng điện dựa mức sử dụng điện người sử dụng điện nhà cung cấp điện Internet công nghiệp (industrial internet): Internet công nghiệp ứng dụng đặc biệt IoT Internet công nghiệp đánh giá có tiềm cao chưa sử dụng rộng rãi Ơ tơ kết nối (connected car): Hiện ô tô tự hành nhà phát lớn quan tâm :Google, Microsoft Apple Tuy nhiên xe tự hành chưa cơng nhận thức kk const char keymap[numRows][numCols] = { { '1', '2',} , { '3', '4',} , { '5', '6',} }; // Khai báo chân Digitals kết nối với Keypad const int rowPins[numRows] = { 2, 3, }; // Từ Rows đến const int colPins[numCols] = { 5, }; // Từ Cols đến ///STEP MOTOR// const int stepsPerMotorRevolution = 32; const int stepsPerOutputRevolution = 32*20; const int motorpin1 = 8; //cách nối chân Arduino với chân động const int motorpin2 = 9; // const int motorpin3 = 10; // const int motorpin4 = 11; // Stepper myStepper(stepsPerMotorRevolution,motorpin1,motorpin3,motorpin2 , motorpin4); ///// void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(13,INPUT); pinMode(12,OUTPUT); digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(13,LOW); myStepper.setSpeed(440); //Set the speed for (int row = 0; row < numRows; row++) { pinMode(rowPins[row],INPUT); // Hàng Input digitalWrite(rowPins[row],HIGH); // } for (int column = 0; column < numCols; column++) { pinMode(colPins[column],OUTPUT); // Cột Output digitalWrite(colPins[column],HIGH); // } } char t; void loop(){ char key = getKey(); // Gọi hàm ketKey(); if( key != 0) // Nếu phím nhấn { Serial.println(key); } if(Serial.available()>0) { char data =Serial.read(); if(data=='7') { digitalWrite(12,HIGH); } if(data=='9') { myStepper.step(stepsPerOutputRevolution); } if(data=='8') { myStepper.step(-stepsPerOutputRevolution); } } if (digitalRead(13)==HIGH) { digitalWrite(12,HIGH); delay(20); digitalWrite(12,LOW); delay(10); } } char getKey() { char key = 0; // Khi chưa nhấn phím for(int column = 0; column < numCols; column++) { digitalWrite(colPins[column],LOW); for(int row = 0; row < numRows; row++) { kk if(digitalRead(rowPins[row]) == LOW) { delay(200); // Đợi thời gia 20ms while(digitalRead(rowPins[row]) == LOW) //Đang nhấn Button trị phím nhấn { } // Đợi nhả Button key = keymap[row][column]; // Lấy giá } } digitalWrite(colPins[column],HIGH); } return key; // Trả giá trị phím nhấn } 4.3.3 Giao tiếp Arduino nodemcu ESP8266 Giao tiếp qua chuẩn giao tiếp RS232 (tương tự giao tiếp Arduino): kỹ thuật sử dụng rộng rãi để nối ghép thiết bị ngoại vi với máy tính Nó chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều hai thiết bị , chiều dài kết nối lớn cho phép để đảm bảo liệu 15m, tốc độ 20kbit/s Các đặc tính kỹ thuật chuẩn RS-232 theo chuẩn TIA/EIA-232-F sau: Bảng 4.1 Các đặc tính kỹ thuật chuẩn RS-232 Chiều dài cực đại Tốc độ cực đại Điện áp ngõ cực đại Điện áp ngõ có tải Trở kháng tải Điện áp ngõ vào Độ nhạy ngõ vào Trở kháng ngõ vào 15m 20kbps 25V 5V đến 15V 3K đến 7K 15K 3V 3K đến 7K tiêu Hình 4.3: Kết nối dây Arduino ESP8266 Quá trình truyền liệu Truyền liệu qua cổng nối tiếp RS232 thực không đồng Do nên thời điểm có bit truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho nhận biết kí tự gửi đến lần truyền bit Bit ln bắt đầu mức Tiếp theo bit liệu (bits data) gửi dạng mã ASCII( 5,6,7 hay bit liệu) Sau Parity bit ( Kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) cuối bit dừng - bit stop 1, 1,5 hay bit dừng Tốc độ Baud Đây tham số đặc trưng RS232 Tham số đặc trưng cho trình truyền liệu qua cổng nối tiếp RS232 tốc độ truyền nhận liệu hay gọi tốc độ bit Tốc độ bit định nghĩa số bit truyền thời gian giây hay số bit truyền thời gian giây Tốc độ bit phải thiết lập bên phát bên nhận phải có tốc độ ( Tốc độ vi điều khiển) Ngồi tốc độ bit tham số để mô tả tốc độ truyền tốc độ Baud Tốc độ Baud liên quan đến tốc độ mà phần tử mã hóa liệu sử dụng để diễn tả bit truyền tơc độ bit phản ánh tốc độ thực tế mà bit truyền.Vì phần tử báo hiệu mã hóa bit nên hai tốc độ bit tốc độ baud phải đồng Một số tốc độ Baud thường dùng: 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 dùng tốc độ Baud 9600 kk 4.4 Giao diện giao tiếp người dùng qua Smartphone Tạo giao diện smartphone Để nhà giao tiếp với chủ nhà cần phải có phương tiện, smartphone cài đặt phần mềm MQTT Dash, phần mềm nhà phát triển viết để phục vụ cho dự án IoT đặt biệt dự án nhà thông minh Phần mềm tải từ Google play, cài xong mở có giao diện hình Hình 4.4: Giao diện MQTT Dash kk Điền Name, Server, Port, User name, User password vào mục bên để tạo mục mới, bên mục có chứa phím nhấn, chữ, số…gửi nhận từ Server Ta tạo nhiều mục với Server, Port, User name, User password giống Hình 4.5: Tạo mục Hình 4.6: Giao diện chế độ điều khiển Trong mục điều khiển ta tạo công cụ để điều khiển Button, Text, Range, Multi choice, Image, Color… Hình 4.7: Các cơng cụ điều khiển kk Hình 4.8: Tạo giao diện điều khiển cho Đèn Phòng Khách Giao diện mục điều khiển thiết bị gồm có cơng cụ điều khiển sau: - Switch điều khiển: nút điều khiển quạt nút điều khiển đèn, chức nút gửi tên Topic mức logic lên Server (ví dụ ta muốn bật đèn phòng khách tín hiệu gồm Topic “denpk” mức logic “1” ngược lại muốn tắt đèn mức logic “0”) - Switch báo trạng thái hoạt động thiết bị: Switch nhận Topic mức logic từ Server gửi xuống, từ ta biết thiết bị bật hay tắt Hình 4.9: Giao diện điều khiển trạng thái điều khiển kk Giao diện chế độ mở rộng gồm: - Chọn chế độ ngủ - Cài đặt thời gian bật tắt đèn hiên - Hiển thị báo động - Điều khiển cửa - Hiển thị nhiệt độ Hình 4.10: Giao diện chế độ mở rộng Hình 4.11: Icon đưa hình kk kk ... VỀ ỨNG DỤNG IOT TRONG NHÀ THÔNG MINH 1.1 Internet of Things (IoT) 1.1.1 Khái niệm IoT 1.1.2 Cấu trúc hệ thống IoT 1.1.3 Ứng dụng IoT giới 10 1.2 Ứng dụng IoT. .. Smartphone 49 Ứng dụng IoT nhà thông minh Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG IOT TRONG NHÀ THÔNG MINH 1.1 Internet of Things (IoT) 1.1.1 Khái niệm IoT Internet of Things (IoT) - Mạng lưới vạn... Trang trại thông minh (smart farming): Ứng dụng quan tâm nhiều sử dụng rộng rãi vườn hay chuồng trại 1.2 Ứng dụng IoT vào nhà thông minh Hệ thống chiếu sáng thông minh Hệ thống đèn thông minh cho